（检测技术与自动化装置专业论文）声学法温度场检测数据采集系统研究.pdf

沈刚丁业人学硕十学位论文 捅姜 声层析成像温度场检测技术是近年来发展起来的一项新技术，该技术在国外己发展 成熟，并应用于工业炉炉温在线检测等领域。本文对声层析成像温度场检测技术进行了 简要介绍，对国内外该技术的研究现状做了概述，阐述了声学测温的基本原理，制定了 声层析成像温度场检测系统的整体方案，确定了采用广义互相关函数分析的方法对声波 飞行时间进行测量，重点论述了基于虚拟仪器技术的声层析成像温度场检测数据采集系 统的软硬件实现。 本文利用扫频信号作为声波信号，采用计算机仿真软件m a t l a b ，对声波在声波 发射器和接收器之间的飞行时间的互相关估计进行了计算机仿真研究。分析比较了在信 号受到强噪声干扰，以及信号衰减较大条件下，基本互相关和广义互相关两种方法计算 声波飞行时间的精确性。研究结果表明：广义互相关法在信号畸变较大的条件下仍然具 有较强的抗噪声能力；基本互相关法在对衰减后信号进行滤波预处理并抑制信号畸变 后，在强噪声干扰下也可以达到较高的测量精度。 本文基于虚拟仪器技术，设计了声层析成像温度场检测数据采集系统。该系统以 l a b v i e w 为软件设计平台，以数据采集模块p m d l 6 0 8 、带声卡的计算机和声波发射电 路、接收电路构成硬件系统。该系统可对被测区域周围的8 组声波发射接收器所产生的 2 4 条声波飞行路径，进行扫描式信号采集，并用采集到的数据通过互相关方法计算声波 飞行时间，最后利用内置的重建算法对被测区域的温度场分布进行重建。 在实验室室温条件下对该系统进行了实验测试，测试结果表明：该系统工作稳定， 能够对2 4 条路径的声波飞行时间进行测量，并且测量结果符合声波飞行时间与声波飞 行距离间的线性关系。进行了实验室二维温度场重建实验，实验结果与被测区域温度分 布情况基本一致。 关键词：声学法测温，互相关，虚拟仪器，声波飞行时间，温度场重建 声学法温度场检测数据采集系统研究 r e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o ra c o u s t i ct e m p e r a t u r e f i e l dm e a s u r e m e n t a b s t r a c t t e m p e r a t u f ef i e l dm e a s u r e m e n tb a s e do na c o u s t i ct o m o g r a p h yi san e wt e c h n o l o g y d e v e l o p i n gi nr e c c my e a r s a b r o a d ，i th a sb e e nm a t u r e d ，a n da p p l i e dt oi n “s t r yf u m a c ef o r t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n to n l i n e t h i s p a p e rb r i e n y i n t r o d u c e sa c o u s t i c t o m o 孕a p h y t e c h n o l o g y ，s u m m a r i z e st h er e s e a r c ho fa c o u s t i cp y r o m e t e ra th o m ea n da b r o a d ，e x p a t i a t et h e k e y s t o n e o fa c o u s t i c t e m p e r a t u r cf i e l dm e a s u r e m e n t ， d e s c r i b e st h ew h o l es c h e m eo f t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n tb a s e do na c o u s t i ct o m o g r a p h y ，d e t e r m i n e sg e n e r a lc r o s s c o 玎e i a t i o nm e t h o dt om e a s u r et h et i m e o f - f h 曲t ( t o f ) o fs o u n dw a v e ，a 1 1 dd i s c u s s e st h e h a r d w a r ea n ds o f t 、v a r er e a i i z a t i o no f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mf o ra c o u s t i ct e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r ，t h ee s t i m a t i o no ft o fo fs o u n dw a v eb e t w e e nt h es o u n de m i t t e ra n d r e c e i v e rb yc r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o di si n v e s t i g a t e di nm a l l 舢w i t has i m u l a t i o ns w e p t s o u n ds i g n a l t h ea n t i n o i s ea b i l i t ya n dt h ep r e c i s i o no fs o u n dt o fe s t i m a t j o nb e t w e e nb a s i c c r o s s - c o r r e l a t i o na n dg e n e r a lc r o s s - c o r r e i a t i o na r ec o m p a r e di nt h ec o n d i t i o no fs t r o n gn o i s e a n ds e r i o u ss i g n a la t t e n u a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a t ，e v e ni nt h ec o n d i f i o no f s e r i o u sa b e r r a t i o no fs i g i l a l ，g e n e f a lc m s s c o 玎e l a t i o nh a ss t r o n ga n t i - n o i s ea b i l i t y ，w h i l eb a s i s c r o s s c o r r e l a t i o nc a nn o ta c h i e v eg o o dp r e c i s i o nu n l e s st h ea b e r r a t i o no fs i g l l a li sr e s t r a i n e d b yap r e - p r o c e s s i n gf i l t e r t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m0 fa c o u s t i ct e m p e r a t u r em e a s u r c m e n tb a s e d0 nv i r t u a l i n s t r u m e n ti s d e v e l o p e d 1 1 1 es y s t e mu s e sl a b v i e wa sd e s i g i ln a t0 fs o 脚a r c ，u s e sd a t a a c q u i s n i o nm o d u l ep m d l 6 0 8 ，c o m p u t e rw i t hs o u n dc a r d ， s o u n dt r a n s m i t t i n gc i r c u i t ， r e c e i v i n gc i r c u “a sh a r d w a r es y s t e m t h es y s t e mc a n 1 1 e c ts i g n a l so nt h es o u n dw a v ep a t h s p m d u c e db y8e m i t t e r s r e c e i v e r sa r o u n dt h ef i e l dt ob em e a s u r c da ts c a nm o d e ，c a l c u l a t et h e t o fo fs o u n dw a v ei ne a c hs o u n dw a v ep a t hw i t hg e n e r a lc r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o d ，a n d 6 n a l l yr e c o n s t r u c tt h et e m p e r a t u r ef j e l dw i t hp r e e m b e d d e dr e n s t r u c t i o na l g o r i t h m 沈阿1 t 业大学硕+ 学位论文 t h es y s t e mi st e s t 阜do nt h ec o n d i t j o no fr o o mt e m p e r a t u r ei nl a b 。t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a ti h es y s t e mc a nm e a s u r et h et o fo fs o u n dw a v ei na 王jt h e2 4s o u n dw a v e p a t h s ； t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o fm e a s u r e m e n tv a l u ea n dt h es o u n dp a t h1 e n g t hi sl i n e a ra s e x p e c t e d t w o - d i m e n s i o nt e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t n l c t i o ne x p e r i m e n ti si m p l e m e n t e di nl a b ， a n dt h et e m p e r a t u r er e c o n s t r u c t e dd e s c b e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr e a lt e n l p e r a t u r ef i e l d k e y w o r d s ：a c o u s t i ct e m p e m t u r em e a s u r e m e n t ，c r o s s - c o r r e l a t i o n ，v i r t u a ii n s t n l m e n t ， s o u n dw a v en i 曲tt i m e ，t e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t n i c t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：幽日期：竺三! ：! 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：幽导师签名：矗鱼垡 日期： 弦哦3 | s 沈| j i i i ：业人学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 过程层析成像技术 过程层析成像技术( p r o c e s st o m o 伊印h y ，缩写为p t ) 是2 0 世纪8 0 年代中期正式形 成和发展起来的一种对过程参数二维或三维分布状况进行在线实时检测技术【l l o 虽然它 的基本原理与医学工程中的计算机层析成像诊断技术( c o m p u t e r i z e dt 0 m o g r a p h y ，缩写 为c t ) 是相同的，但是，由于测量对象、测量目的以及运行环境条件的不同使得p t 技 术相对于c t 技术来说，无论是在信息的获取方式和信息的处理方法上，还是在测量结 果的解释和应用上都有显著的不同之处。目前用于过程层析成像的测量方法较多，利用 x 一射线、y 射线和中子束的过程层析成像原理与c t 的一致，而在用声波、电容、电阻、 微波等传感器的过程层析成像法中，其测量值不再是被测参数线积分值，如电容法中电 容测量值是介电常数的区域加权积分值。这样在求解被测参数截面分布时，其重建算法 与c t 就有差异。 过程层析成像技术的实质就是运用一个物理可实现系统完成对被测物场中某种物 场特性分布兵- y ) 的雷登变换与雷登逆变换，它的基本内容是采用特殊设计的敏感器空 间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测物场的信息，运用定性或定量的图像重建算法 重建出被测物场的图像，通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重建图像信息的比 较，获得被测物场的分布状态及其运动变化特征，如两相管流的流动形态，工业炉温度 场分布及温度场变化等，有时，还要根据从重建图像信息中提取出的特征参数，按照有 关的理论模型发出相应的控制信号，以实现对被观测过程的调节。要指出的是被测物场 的图像重建显示并不是p t 系统的主要目的，或者说，不是最终的目的。重建图像的物 理意义阐明：从重建图像信息中提取与被测物场及其运动变化有关的特征参数对被测物 场做出定性或定量的评估，并输出对相应的过程实行调节控制的信号等，才是p t 系统 的追求的目标。 过程层析成像技术的产生和发展是与科学研究及工程实践中对工业过程内部信息 的迫切需求密切相关。过程层析成像的优势在于【2 l ： ( 1 ) 它可以在不破坏干扰设备内部正常工业过程的情况下，获得管道或设备内部过 声学法温度场检测数据采集系统研究 程参数的二维三维分布信息。例如，在选取合适的敏感原理或几种敏感原理的组合的条 件下，过程层析成像可以应用于各类两相多相流体的在线实时检测，实现流型辨识，给 出相分布廓形，测量相含率，确定相速度等。这些功能目前都已初步实现，当然在分辨 率、测量精度及实时性方面还有待进一步改进( 相对于被测物场的横截面直径而言，电 磁辐射p t 系统的空间分辨率为1 ，声学p t 为3 ，电学p t 为1 0 左右；y p t 的图 像重建速度为1 0 幅每秒，电学p t 的定性图像重建速度可超过1 0 0 幅每秒) 。 ( 2 ) 近年来，化学工业等部门的设计许多已建立在建模技术和计算机仿真技术的基 础上。而所有这些基于热动力学、反应动力学和流体动力学原理建立的过程设备模型都 需要予以实验证实p t 技术可以为在工业条件下模型的证实提供一种方便的手段，而不 是像以前那样采用传统的激光或光学示踪技术，在一种简化了的“模型”反应器中来证 实建模的正确性。此外，传统检测技术还只能提供容器内或管道中某一很小部分上的信 息。 ( 3 ) p t 技术可为优化过程设备及装置的设计改进过程工艺提供更全面精细的信息。 从各国研究工作者发表的成果中，人们已经清楚地看到，p t 技术在解决物场分布 在线检测问题方面具有很大的潜力，确实有其独特的优点。但是，p t 技术的发展完善 还需要有一段较长的时间，这是因为还有许多理论问题和工程实践问题有待研究解决。 例如声学p t 由于其敏感场为“软场”( s o f tf i e l d ) 而导致复杂的非线性逆问题，使实时、 定量图像重建算法的开发变得十分困难。而开发出具有高可靠性和良好的可维修性且能 适应被测对象环境条件的敏感子系统，对于p t 技术的推广应用将起决定性的作用。 随着p t 技术的发展，目前已经有十几种基于不同敏感机理的p t 系统问世。大多 数的p t 技术按采用敏感器件的不同，可归类为硬场检测和软场检测。硬场检测的敏感 场不受被测介质分布的影响，如核p t ( x 、y 射线) 、微波p t 、光学p t 等；而软场检 测的敏感场受被测介质分布及特性的影响，如电学p t ( 包括电阻e r t 、电容e c t 、电 磁e m t ) ，声学p t 等等。 本文所设计的声学法温度场检测系统是声层析成像技术在温度场检测中的照型应 用，温度场重建所需要的投影数掘是声波在气相介质中的飞行时间。 沈r 盯业大学硕十学位论文 1 2 声学法温度场检测技术研究现状 声学法测温的基本原理是基于介质中声波的传播速度是该气体介质温度的函数，因 此只要测量、计算碍到的声波传播速度，将其应用于声速和温度之间的关系式中，即可 计算出声波传播介质的温度。 声学温度计最早被应用于大气及海洋温度的测量阳l ，近些年来，逐渐被应用于工业 测量中。应用脉冲波和连续波系统为声源的测量方法已被提出，并已应用于工业炉内高 温环境的测量中【5 一。 脉冲波系统中，以发射位置发射的脉冲声波作为计时器的“开”信号，接收位置接 收到的脉冲声波作为计时器的“关”信号，即以发射位置发射声音脉冲的时刻为起始时 间，接收位置接收到的此声音脉冲的时刻为终止时间，两时刻的时间差即为此声波在此 两位置之间的传播时间。如果环境背景噪声大，那么环境的背景声音噪声将引起“关” 信号的误操作，造成错误的传播时间的测量。 在连续波系统中，目前采用的连续波有两种：单一频率信号和宽带频率信号。当信 号源采用单一频率信号时，在发射位置发射的连续波，与在接收位置接收到的连续波之 间的相位差为传播时间的测量提供了一种问接的测量方法。由于其测量的上限受信号源 频率的限制( 最长延时不能大于信号源的一个周期) ，使得这种测量技术在工业上的广泛 应用受到了很大局限。 虽然脉冲波和采用单一频率的连续波技术已被证实在许多装置中很有用处，但每种 方式都显示出不适用于背景噪声大的环境中，工业锅炉就是典型的大背景噪声环境。除 噪声问题外，由于温度和速度梯度而使得波分散分布，这种分散具有削弱声波的负作用， 由边界路径反射到接收位置的声波也使得问题复杂化。因此虽然人们针对脉冲波和单一 频率连续波技术在抗干扰性能上做了许多努力以提高声波传播时间测量的可靠性，但这 些努力还未达到预期的成功。 目前在国外，已经开发了多种应用宽带连续波作为信号源的声学炉内温度场实时监 测系统，并实现了商品化，在发电、垃圾锅炉、热处理加热器上得到工业应用。 以应用于工业高炉的声学测温系统( 美国s e i 产品) 为例n 通常把发射和接收装 最组合成一个单元设置，由一个用法兰安装在炉墙外壁的不锈钢喇叭形波导管组件和一 声学法温度场检测数据采集系统研究 个就地安装的前置放大器机箱组成。通过受控电磁阀引入o 5 5 0 8 3 m p a 的仪表用无油 压缩空气，经过波导管内孔板产生5 0 0 2 0 0 0 h z 的宽频带声波，作为系统的声源。向炉 内发射排出的空气还能清除波导管内的飞灰和其它松动的杂物。组件出口处装设的声接 收部分使用了耐腐蚀镍基合金钢制成的压电式传感器，用来接收本单元或其它单元发出 的声信号，并转换成能准确的确定声波到达时刻的电信号，输入至前置放大器，经放大、 处理后输出至控制单元，声学测温系统框图如图1 1 所示。 对于单路径平均温度测量，每条路径设置2 个声发射接收器，对于断面温度场监测， 每个断面需6 个或8 个。对于现有的产品，炉墙上安装发射接收装置的7 l 径为1 5 0 m m ， 以便喇叭形波导管能伸入。如果位置适宜的话，可以利用经适当改造的炉墙上原有的入 孔、观察孔，否则需要专门丌孔，有一定的现场设备安装工作量。发射接收装置中的声 接收器也可用于炉内声发射泄漏检测系统，进行承压部件早期泄漏预报。 图1 1 声学9 1 0 温系统框图 f i 9 1 1a c o u s t j ci e m p e m t u r em e a s u r e m e n ts y s i e m 东京电力技术研究所的伊腾文夫、三菱重工长崎研究所的坂井正康对燃煤锅炉中声 波的衰减特性等进行了基础研究，结果表明：声波在炉内煤气中的衰减与煤气中的二氧 化碳浓度、声波频率、煤气温度成f 比；从精度和衰减两方面考虑声发射接收器的频 率应在1 2 k h z 以内；当测量数据较少时，用最小二乘法重建温度场断面温度分布较合适； 重建精度和抽气式热电偶的测量结果相差1 5 ，用声波进行炉内温度分伟的测量是可行 沈刚：r 业大学硕十学位论文 的，并提出今后应改进声学传感器的耐热性【8 l 。 日本g i f u 大学的j l u ，d w a k a i 等人从理论上研究了由于温度梯度对声波传播路 径的影响所产生的测量误差( 即声波“弯曲效应”对测量结果的影响) ，利用最小二乘法 及迭代技术，重建温度场。并且得出结论，考虑声波“弯曲效应”后，温度场重建精度 得到改善1 9 j 。 美国电力研究院和英国发电委员会使用声学高温测量系统对电站锅炉进行了炉膛 燃烧诊断和测温实验【。结果表明，声学高温计测量结果基本与抽气型热电偶所得结果 一致，而声学高温计在实时性、可维护性上要明显优于抽气型热电偶。而辐射高温计在 准确度上是无法与其匹敌的，随后将其产品推向市场，并预言声学高温计将成为一种新 型的加热炉诊断工具及科研开发工具。 美国n e v a d a 大学的j a 。k l e p p e 等人研究开发了一种声学高温测量系统【1 l l ，据称该 系统可在各种恶劣的、嘈杂的工业环境中可以精确、反复的测量。声发射，接收单元的发 射部分以压缩空气( 工业用气) 经波导管内孔板产生5 0 0 2 0 0 0 h z 的宽频带波，作为系 统的声源。接收部分是用耐腐蚀镍合金钢制成的压电式传感器，用来接收发射单元的声 信号。系统具有以下功能：可显示所定义区域内的空间气体的平均温度，可显示声波路 径上介质温度随时问变化趋势图，即每条路径上的介质温度随时间变化的趋势，可以从 所给定的刻度范围内选用一个最佳的刻度用于显示，温度测量上限可达1 9 2 7 ，误差小 于1 5 ；可获得某一测量路径的平均温度；可实现实时温度场显示。 意大利p i s a 大学e m a 仰e l e s a l e m o 等人成功研制出一套声学高温计并申请了专利， 所用发射一接收单元为电声系统。几位学者还对图象重建算法等问题做了比较深入的探 讨，具有一定的代表性。 德国u n i v e r s i t y o fs a a r l a n d 开发了声学高温测试系统，并已应用于2 3 0 m w 及7 5 0 m w 电站锅炉温度场检测1 1 2 l 。 在国内，东北大学信息科学与工程学院的邵富群工作小组【1 3 1 ，论述了一种利用声学 传感器获得测量数据，并在此基础上利用傅立叶正则算法对温度场分布进行重建的温度 场测量方法。给出了该方法的测量原理、实验模型及计算机仿真结果。 华北电力大学的张晓东，高波，宋之平采用扫频声源通过仿真分析和实验的方法对 声学法温度场检测数据采集系统研究 无背景噪声和有背景噪声情况下，声波飞行时间的测量进行了研究【1 4 】。研究结果表明： 在有背景噪声的情况下，妇背景噪声高于接收端信号水平，则随着背景噪声的增大测量 结果的偏差也迅速增大，并导致多次测量结果不稳定，不能达到测温的目的。 1 ，3 课题的主要任务 国内较普遍的声学法温度场检测系统主要分成下位机和上位机两个部分( 见图 1 2 ) ，下位机主要以单片机为核心，负责对声波发射接收、信号采样、互相关分析、数 据传输等进行控制；上位机利用v c 或v b 对下位机传送的数据进行处理和图像重建。 固丑尉荔卜 蓖 上 片 机 位 机 ( a d ) 麦克风 前置 ：广放大器 图1 2 基于单片机的声学测温系统框图 f i 9 1 2a c o u s t i cl e m p e f a t u r em e a s u r e m e n ts y s 咄nb a s e do nm c u 课题以虚拟仪器技术为平台，搭建了一套8 传感器声学法温度场检测系统( 见图 1 3 ) 。该系统能够实现声波信号的产生、发射与接收；对信号进行采集的同时，能够显 示发射信号、接收信号、互相关分析等波形图像；调用图像重建算法对所采集的数据进 行温度场分布重建，并对数据进行存储。因此，课题的主要任务包括： ( 1 ) 阐述基于声层析成像的温度场检测的基本原理与研究现状； ( 2 1 在强噪声环境下，对互相关法测量声波飞行时间的理论进行研究，并用 m a t l a b 对其进行仿真； ( 3 ) 完成对声波发射部分、声波接收部分，以及信号调理部分的设汁； 沈阳t 业人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 利用数据采集模块p m d 一1 6 0 8 和l a b v i e w 软件设计数据采集控制系统，使系 统具有控制声波发射接收、信号采样、数据传输、互相关分析，界面显示等功能： ( 5 ) 在系统中内嵌图像重建算法，能够对数据采集系统采集到的数据进行重建，并 显示温度场分布重建结果，实现完整的系统功能。 ( 6 ) 在实验室室温条件下对系统进行了实验测试，检验声波飞行时间与声波飞行距 离问是否符合线性关系，并进行误差分析； ( 7 ) 进行实验室二维温度场重建实验。 图1 3 声学温度场数据采集系统框图 f i g1 3d a i aa c q u i s i t i o ns y s l e mo fa c o u s i i ct e m p e f a i u r ef i e j dm e a s u r e m e n t 1 4 小结 本章从研究课题背景入手，论述了声学法温度场检测技术的重要意义及传统测量温 度场的几种方法，列举了国内外对声学法温度场检测技术的研究进展。之后，提出了以 声学法温度场检测数据采集系统研究 虚拟仪器技术为平台的8 传感器声学法温度场检测系统的设计方案，并指出了本课题所 要研究的内容和任务。 沈h | | + 业人学硕十学位论文 2 声学法温度场检测基本原理 2 1 声学法测温基本理论 声学法测温基本原理可简述为，气体介质中声波的传播速度是该气体介质温度的函 数【1 t 2 0 1 ，同时也与该气体组分有关。在大多数应用条件下，气体组分和它们的相对含量 是已知的，而且在很小的范围内变化。因此声音的传播速度可看作气体介质温度的单值 函数。基于声层析成像技术的温度场检测只需在被测温度场四周安装若干个声发射接 收器【2 1 】，测量声波在各声波路径上的飞行时间，经适当的图像重建算法便可实现温度场 重建【2 2 l 。 以下从波动方程的动力学角度分析声速c 和温度r 之问的关系【2 3 】。 声波方程是根据声波波动过程的物理性质，应用物理学中三个基本定律，即牛顿第 二定律、质量守恒定律以及描述压强、体积和温度等状态参数关系的物态方程，建立的 声压随空间位置和时间变化的数学表达式。在理想介质中，波动方程为： v z p 一三鸳：o ( 2 1 ) c 一甜 式中，p 为声压，单位n m ；c 为声速，单位m s ；v 为拉普拉斯算子。 设传播声波的媒质密度为p ，则这段媒质的质量为p 出，根据波动学理论，当平面波 沿x 轴方向传播时，则这段媒质的左面将受到左方媒质施加的作用力丁( 特殊情况下即为 声压p ) ，右面将受到右方媒质的作用力丁+ 竺出( 见图2 1 ) 。 以 如果这段媒质的振动位移为f ，振速为“，则这段媒质的运动方程为： p 塑。p 垂。一坚 ( 2 2 ) p i 。p 蒂一i 2 2 由声学原理可知，被测温度场内介质可视为无限大，声波只有纵波的形式存在。在 这种情况下，声应力即声压) 。在声压作用下，长度为出的媒体体积所出生变化为d n 因 面积不变，故体积的相对变化为等，实际上相当于厚度的相对变化警a 卢学法温度场检测数据采集系统研究 图2 1 波动示意图 设媒质的体积弹性模量为b ，则： p ：一b 坐：一b 堕 y 亭 由于p = 丁，则上式化为： p 警= 一芸= b 窘 由波动理论可知，沿x 轴正向或负向传播的波动方程为： 由式2 4 、式2 5 得： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) c = 居 眨。， 对于理想气体，把声波的传播看成快速绝热过程，则p 哟恒量，可得到： p 矿= 口= 炉 ( 2 7 ) 其中，p 为静压；y 为定压比热和定容比热的比值。根据理想气体状态方程 l o 沈刚r 业大学硕十学何论文 p y ：丝r 丁，可得： ，咒 c 一再莉 ( 2 8 ) 式中，c 为声波在气体介质中的传播速度，单位m s ；r 为理想气体普适常数，其值 为8 3 1 4 3 j ( m o l k ) ：y 为气体介质定压比热容与定容比热容之比值；劝绝对温度，单位 k ；研为气体分子量，单位k 咖。l 。z 是对某种特定气体的唯一常数，且za 等，对烟 道混合气体为1 9 0 8 【1 9 1 。 由式2 8 得： 丁。 ( 2 。) 即声波气体在介质中的传播速度是该气体介质温度的函数，同时也与该气体组分有 关，大多数实际情况下，气体组分对声波传播速度的影响较小，变化范围很小，因此， 声波传播速度可以看成是气体介质绝对温度的单值函数。 如果温度场两侧分别安装声波发射器和接收器，由于两点问的距离d 是已知常数， 则可通过测定声波的飞行时间f ，来确定声波在传播路径上的平均速度为： c 尘( 2 1 0 ) 址 式中，d 为传播距离，单位为m ；& 为飞行时间，单位为s 。 在实际应用中，如果声波发射和接收装置之间的距离是已知的，由式2 9 可知，该 条路径上的平均温度可以表示成声波飞行时间的函数： r 一啬_ 2 7 3 - 1 5 ( 2 1 1 ) 式中，d 为声波发射接收单元之间的距离，单位m ；出为声波飞行时间，单位s ；r 为测量路径上气体的平均温度，单位；z 为该气体介质的常数。 声学法温度场检测数据采集系统研究 由上面的分析可知，声学测温方法需要确定的基本物理量包括：声波发射接收装 置之间的距离；被测气体的组成成分、状态参数，从而确定气体常数；声波发射端和接 收端的声波信号采集，从而计算出声波飞行时间。而在实际应用中声波发射接收装置 之间的距离和被测气体的气体常数一般是已知的，因此只要确定声波的飞行时间便可获 得该路径上的平均温度。 2 2 声波飞行时间测量 由以上分析可知，声学测温的测量原理是通过测量声波的飞行时间间接测量温度。 因此准确测量声波飞行时间是准确测量温度的前提。 时间延迟估计技术是近2 0 年来信号处理学科发展出来的新分支，它可用来准确、 快速地估计和测定出声发射接收器或声发射接收器阵列之间由于信号传播距离不同 或传输速度不同而引起的时间延迟。声波在2 个声接收器问的飞行时间的测量问题可以 看成是同源信号到达不同位置传感器的时延估计。同源信号由于信号传播距离不同引起 的时间延迟估计有很多种方法，其中互相关是最基本的也是十分有效的一种方法。互相 关函数具有较强的抑制噪声的能力【2 4 i ，能对有噪声的信号进行时延估计而得到较好的结 粱。 声波飞行时间测量装置示意图如图2 2 所示，为测量某一声波飞行路径的平均温度， 在声波飞行路径上以某种方式安装一对麦克风( 麦克风的输出特性要求相同) ，麦克风 1 与麦克风2 问的距离为d 。令扬声器发射声波信号，如果麦克风1 处的声波信号表示 为甩) ，则麦克风2 处的声波信号可表示为，( f f ) ，f 为声波信号由麦克风1 处传播到 麦克风2 处所用时间。由于声波飞行路径d 己知，只要测量r ，便可利用式2 1 1 计算 出该路径的平均温度。 扬声器 口 麦克风1麦克风2 仁一d 一 幽2 2 声波e 行时问测草装拦示意幽 f i g2 2m e a s u r e m e n td e v c eo fs o u n dw a v en i 曲ti i m e 沈阳1 j 业人学硕十学位论文 设麦克风l 输出的电信号为z o ) ，麦克风l 输出电信号为z ( f ) ，在忽略声波多路径传 输的情况下： x ( f ) = 七一厂p ) + ，f z p ) ( 2 1 2 ) 式中，七- 为与麦克风l 输出特性有关的系数，设其为常数：，l - ( f ) 为麦克风1 处的噪 声干扰。 设麦克风2 处的输出电信号为y ( f ) ，同样在忽略声波多路径传输的情况下： y ( f ) j 七：，o 一f ) + n ：o ) ( 2 1 3 ) 式中，如为与麦克风2 输出特性有关的系数，设其为常数；，( f f ) 为发射声波信号 m ) 经过延迟时间血后的声波信号；f 为声波信号从发射位置传输到接收位置所用的时 间；，1 2 ( f ) 为麦克风2 处噪声干扰。 将麦克风1 和麦克风2 输出的电信号z 和) ( f ) 进行互相关分析计算，工( f ) 和_ ) ，( f ) 的 互相关函数即为1 2 5 l ： 。) 2 手溉丘工( f ) ) ，( f + f ) 出 ( 2 1 4 ) ，lz 与地( r ) 为外界噪声干扰，在理想状态下，甩z ( f ) 、聆2 ( d 、，( f ) 间互不相关，即它们 的互相关函数值为o 。故式2 1 4 可变为： p ) 一；舰后t ，( f ) t ：，( f 一f + r ) 出 ( 2 1 5 ) 当k = f 时，工( f ) 与y ( f ) 的相关性最强，互相关函数取最大值。互相关函数峰值处所 对应的时间f 。即为声波从麦克风1 传输到麦克风2 所用的时间出，则声波飞行路径的 平均温度丁为： r 讶一( 忐) 2 埘专 ( 2 1 6 ) 声学法温度场检测数据采集系统研究 采用互相关分析法，计算出两麦克风输出电信号的互相关函数，找出互相关函数的 峰值点所对应的时间出，代入上式中即可求出声音传播路径上介质的平均温度7 。 以上是基于时域信号进行互相关分析的过程，但在实际信号采集过程中，时域连续 信号被采集后都会离散化成为数字信号，所以，实际的互相关分析过程是对离散数字信 号进行互相关分析的过程。 设麦克风1 输出信号x ( f ) 和麦克风2 输出信号) ，( f ) 经点采样后，生成离散信号工0 ) 和_ y 0 ) ，依据式2 1 2 式2 1 5 可得离散互相关计算公式： 月( n ) 一罗厂( t ) 厂( 七一七+ ”) ( 2 1 7 ) 例 在具体实践中，为了利于编写程序，我们也可以在频域上进行互相关分析。频域互 相关分析公式如式2 1 8 所示： 尺o ) = f 一1 f 【厂( 七) 】f 【， 一t ) 】) ( 2 1 8 ) 其中，f 代表傅立时变换；f 1 代表傅立叶逆变换。 当n = 肚时，信号相关性最强，互相关函数取最大值。利用下式即可求出声波飞行 时间出： 出；旦( 2 1 9 ) f s 式中，正代表信号采样频率。 可见通过测量声波从发射器到接收器的飞行时问血，根据式2 1 6 便可求出声波传播 路径上介质的平均温度t 。据此原理便可测量出单一路径上介质的平均温度。以上方法 仅能实现某一声波飞行路径上气体介质平均温度的测量。要实现被测温度场某一“典型 层面”的温度分布测量，必须用多组声波发射接收器采集多路声波飞行时问，将其作为 投影数据，利用层析成像技术，通过温度场图像重建算法实现“典型层面”温度分布重 建。 沈日| 1 。业大学硕士学位论文 2 3 小结 本章首先从理论上推导了声学测温的基本原理，即基于气体介质中的声波的传播速 度是与气体介质绝对温度的平方根成正比，之后简要介绍了声波飞行时间测量装置，并 叙述了互相关法测量声波飞行时间的基本过程，最后将该方法从时域计算推导至频域计 算，确定了本课题所应用的声波飞行时间测量方法为频域互相关分析法。 声学法潞度场检测数据采集系统研究 3 声波飞行时间互相关测量的仿真研究 本文采用了互相关分析的方法测量声波飞行时间。互相关方法可分为基本互相关和 广义互相关。由于信号源的种类、采样点数、采样频率、噪声干扰的大小等因素对互相 关函数峰值点位置的寻找都有一定的影响，而在实验室现场测量中对每个因素都进行测 试是不符合实际的，所以采用计算机仿真软件m a t l a b 来研究不同条件下声波飞行时 间的测量精度。 研究中选择粮食为声波传播介质。粮食是不透光的，但声波可在粮食颗粒的空隙中 传播，声波在粮食中的衰减要比在空气中的衰减大得多，且衰减系数与声波频率有关 1 2 6 ，抑。选择粮食为声波传播介质的原因有二：一是相对于空气来说，粮食对声波信号的 衰减和畸变严重得多，更能检验基本互相关和广义互相关在低信噪比情况下测量声波飞 行时间的精度；二是粮食中声波飞行时间测量是声学法测量仓储粮食温度预研工作的一 部分。 3 1 计算机仿真软件m a 丁l a b m a t 乙气b ( m a t r i xl 丑b o r a t o r v ，矩阵实验室) 软件【2 8 。o 】是在1 9 8 0 年前后由美国的 c l e v em o l e r 博士构思开发的，该软件利用了u n p a c k ( 线性代数软件包) 和e i s p a c k ( 基于特征值计算的软件包) 中可靠的子程序，用f o r t r a n 语言编写而成，集命令、翻 译、工程计算功能于一身。 与f 0 n r a n 和c 等高级语言比较，m a t l a b 的语法规则更简单，很贴近人思维方式 的编程特点，利用m a l r i a b 编写程序犹如在便笺上列公式和求解。m a t i a b 环境中， 矩阵的运算和图形处理变得非常容易，实现了以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程 序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中。在这里，可以实现工程计算、算法 研究、符号运算、建模和仿真、原型开发、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用 程序设计等功能。 正是凭借m a t l a b 的这些突出优势，它已成为世界上应用最广泛的工程计算软件。 美国等发达国家的大学罩，m a t l a b 是一种必须掌握的基本工具，而在研究设计单位 和工业部门，更是研究和解决工程计算问题的一种标准软件。在国内，也有越来越多的 沈r l r 业大学颐十学位论文 科学技术工作者丌始认识和使用这一工具。由于该软件的使用简单，功能强大，并且提 供了丰富的矩阵处理功能，控制领域的研究人员在此基础上开发了控制领域与c a d 专 门运用和程序集，使之很快在国际控制界流行起来，在诸如图像信号处理等相关领域也 有了广泛应用。 m a a b 当前的主要功能是集可靠的数值计算、图像与图形显示及处理高水平的 图形界面设计风格于一身，编程简单、高效。 在本论文的仿真过程中，将大量运用m a t l a b 的矩阵运算功能和图像显示及处理 功能，对不同条件下声波飞行时间的测量进行仿真研究。 3 2 声波飞行时间仿真测试系统 声波飞行时间仿真测试系统的构成如图3 1 所示，首先产生发射信号，而接收信号 为发射信号经一定衰减和畸变并延迟时间t 获得的信号，这段延迟时间即为声波飞行时 间。 发射信号p 一加噪声l 经定冰) 进行互 _ i 【j 。 的采样 傅立时 r 衰减 延频率进 变换并 相关寻 与畸 时 行n 点o 进行带 峰计算 变 t 采样将 通滤波 并求出 l 接收司竺，网， 信号离 飞行时 散化 间 lii 。 图3 1 声波飞行时间测量仿真系统 f i g3 1s i m u l a t i o ns y s t e mo fs o u n dw a v ef l i g h tt i m em e a s u r e m e n t 设发射信号为工( f ) ，对该信号按一定采样频率进行点采样生成离散信号均0 ) ，且 对z 1 0 ) 做d f t 变换【3 1 3 “，对应的信号频谱为置，如式3 1 所示： x ，( t ) 一f ( n ) 】 ( 3 1 ) 由于在仿真系统中，接收信号y - 0 ) 是工- ) 经衰减和畸变并延时一定的时间得到的， 所以) ，1 0 ) 可由式3 2 求得： 声学法温度场检测数据采集系统研究 y t ( 一) = f 1 詈e ( 。k 月q ) e _ 詈x ，( t ) ( a ，= z 。v + n 。) 一) c 。z ， 其中，1 为发射器与麦克风1 之间的距离：r 2 为发射器与麦克风2 之间的距离：，l 。 为时间延时；f 1 为傅立叶逆变换；。为粮食介质条件下声波的衰减因子，该因子与信号 频率成j 下比，信号频率越大的部分衰减越大，该衰减因子的具体公式为【2 6 】： 吣) = 譬 3 ) 其中，为信号包含的频率；c o 是空气在真空中的传播速度；y 为粮食颗粒的半径： 声为声波在粮食中的弯曲率：，是基于声波在粮食中传播的一个热力学系数，其公式为 ： f 万+ ( 万一 ) 打 ( 3 4 ) 其中y 为比热；v 是动粘度，v 叫，p ，其中